5-HT₃受体在真实细胞膜环境下的冷冻电镜三维结构

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所计算机辅助药物设计中心袁曙光课题组与德国马普生物物理所合作，利用真实细胞膜冷冻电镜技术，解析了血清素受体5-HT₃离子通道的高分率三维精细结构，并通过生物计算系统阐述了其信号转导的分子原理。相关成果发表于《自然—通讯》。袁曙光和Mikhail Kudryashev为共同通讯作者，张盈怡和Patricia M. Dijkman 为共同第一作者。深圳先进院邹荣峰和Horst Vogel也参与该工作。

该工作首次突破性地证明传统的人造细胞膜环境下所解析的冷冻结构与真实细胞膜环境下的结构差异巨大（主链RMSD高达33埃米），颠覆传统人们认为的在人造细胞膜或者沉淀剂的环境下所解析的膜蛋白三维结构与其生理状态下的结构相同的观点。此外，通过全原子分子动力学模拟的方法，团队发现激动剂可以正常激活真实细胞膜环境下所解析的结构，而不能激活在人造细胞膜环境下所解析的结构。这一发现进一步佐证了人造细胞膜或沉淀剂环境下所解析的膜蛋白三维结构与真实生理状态差异巨大，不一定具有生理活性。

血清素受体（或称5-羟色胺受体）是在中枢和周围神经系统中发现的一组G蛋白偶联受体（GPCR）和配体门控离子通道（LGIC），位于动物神经细胞和其它类型细胞的细胞膜，并介导血清素作为内源性配体和广泛范围的药物和致幻药物的作用。血清素受体可分为7个亚科 5-HT₁, 5-HT₂, 5-HT₃, 5-HT₄, 5-HT₅, 5-HT₆, 5-HT₇。其中5-HT₃与抑郁症、呕吐、止疼等疾病密切相关，是新药研发的重要靶点。

本工作首次在真实细胞膜环境下解析出5-HT₃受体的三维精细冷冻电镜结构（PDB：6Y5A）。其主链的RMSD与人造细胞膜环境下解析的结构差异高达33埃米；离子通道半径差异高达5埃米。通过生理状态环境下的全原子分子动力学模拟发现，在人造细胞膜环境下解析的结构与激动剂结合后，不能激活5-HT₃受体形成连续水分子通路，不能激活5-HT₃受体行使生理功能和信号转导，而本团队在真实细胞膜环境下所解析的结构在相同条件下可以正常激活5-HT₃离子通道并行使正常的信号转导。

目前，众多膜蛋白靶标的三维结构均在人造细胞膜和沉淀剂的环境下所解析。本工作突破性地在真实细胞膜环境下解析出重要膜蛋白靶标的三维结构，为基于结构的药物研发提供了可靠的理论基础，大大减少了新药研发的试错成本。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21016-7